DE2307463B2 - Method and apparatus for producing single-crystal metal castings - Google Patents
Method and apparatus for producing single-crystal metal castingsInfo
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von einkrisialiinen Metallgußsiücken, wobei das ge schiuol/ene Metall in eine von einem Heizelement umgebene Form gegossen und eine von der Form getrennte, dem Formboden zugeordnete Kühleinrichtung zunächst im Abstand vom Formboden gehallen -, und schließlich in Kontakt mit dem Formboden gebracht wird und der Krislallisatioiisprozell dann durch Kühlung bis zur vollständigen Erstarrung lies Metallgiißsliiekes fortgesetzt wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Vaku-The invention relates to a method for producing single-crystal cast metal pieces, the ge schiuol / ene metal in one of a heating element Surrounded mold cast and a separate from the mold, the mold bottom associated cooling device initially at a distance from the bottom of the mold - and finally in contact with the bottom of the mold is brought and then the crystallization process by cooling until it has completely solidified, metal castings are continued and a device to carry out this process with a vacuum
Ki uniofen, enthaltend eine Form für die Schmelze mit
flachem Hoden, unter dem, getrennt von der Form und parallel zu deren Boden, eine Kühleinrichtung angeordnet
ist, die mit der Grundplatte in Kontakt bringbar ist.
Aus der CH-PS 5 23 729 sind Verfahren undKi uni furnace, containing a mold for the melt with a flat testicle, under which a cooling device is arranged, separated from the mold and parallel to its bottom, which can be brought into contact with the base plate.
From CH-PS 5 23 729 are procedures and
ι-, Vorrichtung zur Herstellung von Gußstücken aus Hochtemperaturlegierungen, in welchen die Kristallstruktur gerichtet eingestellt ist, bekannt.ι-, device for the production of castings from high temperature alloys, in which the crystal structure directed is known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und mit einer Vorrichtung dieser Art eineThe invention is based on the object of a method and a device of this type
_>i> Keimung des Kristalls und dessen rasche Ausbreitung längs des Uinfangs der Grundfläche ohne Bildung von parasitären Kristallen in diesem Bereich zu gewährleisten. _> i> germination of the crystal and its rapid expansion along the circumference of the base without the formation of parasitic crystals in this area.
Dies wird bei einem Verfahren der eingangsThis is the case with a method of the introduction
ji erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch en eicht, daß die Schmelze mit einer Temperatur, die inn 100 bis I2()°C höher als die Temperatur des Krisullisationsbeginns ist, in die Form gegossen wird, die so· heiß ist, daß sie nach dem Eingießen der Schmelze am Boden SO bisAccording to the invention, the type mentioned is calibrated in that the melt with a temperature which is 100 to 12 ° C higher than the temperature at which the crystallization begins is, is poured into the mold, which is so · hot that after pouring the melt at the bottom SO to
in 400C heißer als die Schmelze ist, und daß bei Erreichen einer Temperatur der Schmelze unmittelbar am Formboden, die JO bis 401C höher als die Temperatur des Kristallisationsbeginns ist, die Kühleinrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit gegen den Formbodenis 40 0 C hotter than the melt, and that when the melt reaches a temperature directly at the bottom of the mold, which is JO to 40 1 C higher than the temperature of the start of crystallization, the cooling device moves at such a speed against the bottom of the mold
Γ) herangeführt wird, daß dieser erreicht wird, sobald die Temperatur des Metalls am Formboden 30 bis 400C niedriger als die Temperatur des Kristallisationsbeginns ist, wonach die Form aus dem Heizelement herausgeführt wird.Γ) is brought about that this is reached as soon as the temperature of the metal at the bottom of the mold is 30 to 40 0 C lower than the temperature of the start of crystallization, after which the mold is removed from the heating element.
κι Vorteilhaft wird zur Erzeugung eines einkristallinen Metallgußstückes mit einer vorgegebenen kristallografischen Orientierung am Entstehungsort des natürlichen Kristallkeims ein künstlicher Keim mit der gewünschten Orientierung eingesetzt.κι is advantageous for the production of a monocrystalline Metal casting with a given crystallographic orientation at the place of origin of the natural Seed crystal an artificial seed with the desired orientation is used.
.π Bevorzugte Ausgestaltungen von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Ansprüchen J bis 6 gekennzeichnet..π Preferred configurations of devices for Implementation of the method are characterized in claims J to 6.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für den Beginn und das Fortschreiten der KristallisationWith the method according to the invention are for the beginning and the progress of the crystallization
-,ο Erstarrungsbedingungen angegeben, bei denen die Bildung von parasitären Kristallen sicher vermieden werden kann.-, ο solidification conditions specified under which the Formation of parasitic crystals can be safely avoided.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näherThe invention will now be described in greater detail on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings
τ, erläutert. Es zeigtτ explained. It shows
F i g. 1 das Schema einer Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen Metallgußstücken nach der Erfindung im Längsschnitt,F i g. 1 shows the diagram of an apparatus for producing single-crystal metal castings according to the invention in longitudinal section,
F i g. 2 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung,F i g. 2 shows a variant of the device,
ho F i g. 3 eine Form zum Herstellen eines einkristallinen Metallgußstückes im Längsschnitt,ho F i g. 3 shows a mold for making a single crystal Metal casting in longitudinal section,
Fig.4 das Schema eines Metallgußstückes aus zwei
Formen,
F i g. 5 das Schema eines Metallgußstückes aus sechsFig. 4 the scheme of a metal casting from two shapes,
F i g. 5 shows the scheme of a metal casting made of six
br> Formen zur Herstellung von einkristallinen Schaufeln eines Turbinenmotors,b r > molds for the production of single-crystal blades of a turbine engine,
F i g. 6 das Schema einer Form zur Herstellung eines großen Metaügußstückes,F i g. 6 the scheme of a mold for the production of a large metal casting,
F-'ig. 7 den llilfsirauni einer F-'onn zur Herstellung eines einkrislullinen Metallgußsliiukes in Planansicht,F-'ig. 7 the llilfsirauni of a F-'onn for making of a single crystal cast metal line in plan view,
IMg. 8 den Milfsraiini einer F'orm /ur Herstellung einer cinkristullineii .Schaufel,IMg. 8 the Milfsraiini of a form / ur manufacture a cinkristullineii shovel,
F i g. 1 eine Ausführimgsvariante dei ! iilfsraumes, -,F i g. 1 a variant of the dei! auxiliary space, -,
FMg. lOeine Finbinenschaiifel,FMg. lOeine Finbinenschaiifel,
FMg. 11 eine Ausführungsvariante der Turbinenschaufel, FMg. 11 shows a variant of the turbine blade,
Fig. 12 eine Ansicht des Schaufelfußes,12 is a view of the blade root,
F i g. 11 eine Ansicht des Schatifelfliigels, mF i g. 11 a view of the Schatifelfliigels, m
Fig. 14 ein einkiristallines zylindrisches Metallgußstück, 14 shows a single-crystalline cylindrical metal casting,
Fig. 15 zylindrische Metallgußstiicke, hergestellit in einem Block aus zwei Formen von einem Keim,Fig. 15 Cylindrical metal castings made in a block of two shapes from one germ,
Fig. 16 zylindrische Metallgußstiicke, hergestellt in \-, einem Block aus vier Formen von einem Keim,Fig. 16 cylindrical metal castings, made in \ -, a block of four shapes from a seed,
Fig. 17 zwei einkristalline zylindrische Metallgußstiicke, hergestellt von einem Impfkeim,Fig. 17 shows two monocrystalline cylindrical metal castings, made by a seed,
Fi g. 18 diese mit Orientierung in einem siereographischen Dreieck, jiiFi g. 18 these with orientation in a siereographic Triangle, jii
FMg. 19 die Orientierung von in einem Block aus zwei Formen hergestellten Metallgußstiicken in einem stenographischen Dreieck,FMg. 19 the orientation of in a block of two Metal castings in a stenographic triangle,
F i g. 20 die Orientierung von in einem Block aus vier Formen hergestellten Metallgußstücken in einem _>-> stenographischen Dreieck,F i g. 20 shows the orientation of metal castings made in a block of four molds in a _> -> stenographic triangle,
Fig. 21 zwei einkiistalline zylindrische Metallgußstiicke mit in einem Block mit diesen hergestellten Impfkeimen.Fig. 21 shows two single-crystalline, cylindrical metal castings with inoculants produced in a block with these.
Die Vorrichtung zur Herstellung von einkristalliren jo Metallgußstiicken enthält eine Form 1 (Fig. 1), die von einem Ciraphilheizelement 2, montiert an Stronizuführungen 3, umgeben ist. Die Form I besitzt einen Flauptraum Λ, der der Gestalt des Erzeugnisses entspricht und einen Hilfsraum U, welcher sich an den π ersteren von unten her anschließt. Unter der Form 1 befindet sich eine Kühleinrichtung 4. Die Form Il ist mitsamt dem Heizelement 2 und der Kühleinrichtung 4 in einem Vakuumofen 5 mit wassergekühlten Wänden untergebracht. Durch den oberen Deckel des Vakuum- w ofens 5 ist eine vertikale Stange 6 eingeführt, die sich in bezug auf den Vakuumofen 5 auf- und abbewegen kann. In ihrem Inneren weist die Stange 6 einen Kanal zu deren Kühlung mit Wasser während der Arbeit auf. Der Antrieb der Stange 6 besteht aus einem Elektromotor mit Getriebe (aus der Zeichnung nicht ersichtlich). Am Ende der Stange 6 ist innerhalb des Vakuumofens 5 ein Halter 7 zur Befestigung der Form 1 an diesem angebracht. Den Boden des Vakuumofens 5 durchdringt eine vertikale bewegliche Stange 8, an deren oberem -,o Ende innerhalb des Vakuumofens 5 die Kühleinrichtung 4 montiert ist. Die Stangen 6 und 8 sind miteinander fluchtend. Die Kühleinrichtung 4 weist eine hoiizontale flache Platte auf, welche mit Wasser gekühlt wird, das durch einen in der Stange 8 ausgeführten Kanal zufließt, der mit einem Kanal im Körper der Platte der Kühleinrichtung 4 in Verbindung steht. Die Stange 8 wird ebenfalls durch einen Elektromotor über ein Getriebe (nicht dargestellt) angetrieben. Die Form wird an dem Halter 7 über ein Übergangsstück 9 aufgehängt, to der als Greifer zur Halterung der Form 1 dient. Zur Herstellung von Metallgußstürken mit vorgegebener kristallographischer Orientierung wird ein Impfkeim benutzt Hierbei wird die Form 1 (Fig.2) des Metallgußstückes mit einer Impftasche 10 ausgestattet, t>5 in der ein Impfkeim 11 untergebracht wird. Unter dem Impfkeim 11 wird in der Impttasche 10 eine metallische Mutter 12 angebracht, an der eine Kühleinheit 13 zur Kühlung des Impfkeims It befestigt wird, welche mit der unteren Impfkeimfläclic in Kontakt steht. Die Kühleinheit 13 für den Impfkeim 11 dient /ur Wärmeabführung von diesem und zur Regelung seiner Abschmel/.ung. In diesem Falle besitzt die Kühleinrichtung 4 in ihrem zentralen Teil eine Aussparung II, in welche die Impftasehe 10 mit dein Inipl'keim Il und die Kühleinhcit I} für den Impfkeim ! 1 eingebracht werden. Die Tiefe der Aussparung 14 hängt von der Größe des Impfkeims Il und der Kühleinheit U ab, welche vollständig in die Aussparung 14 eintauchen können, damit die Kühleinrichtung 4 mit der Grundplatte der Form 1 zur Durchführung des Kristalhsationspro/esses in Kontakt kommen kann.The device for the production of monocrystalline metal castings contains a mold 1 (FIG. 1) which is surrounded by a Ciraphil heating element 2, mounted on Stroni feeds 3. Form I has a down space Λ, which corresponds to the shape of the product, and an auxiliary space U, which connects to the π former from below. A cooling device 4 is located under the mold 1. The mold II, together with the heating element 2 and the cooling device 4, is housed in a vacuum furnace 5 with water-cooled walls. Through the top cover of the vacuum furnace w 5 is inserted a vertical rod 6, which moves up with respect to the vacuum furnace 5 and can down motion. In its interior, the rod 6 has a channel for cooling it with water during work. The drive of the rod 6 consists of an electric motor with gear (not shown in the drawing). At the end of the rod 6, a holder 7 for attaching the mold 1 to the vacuum furnace 5 is attached. The bottom of the vacuum furnace 5 is penetrated by a vertical movable rod 8, at the upper end of which the cooling device 4 is mounted within the vacuum furnace 5. The rods 6 and 8 are aligned with one another. The cooling device 4 has a horizontal flat plate which is cooled with water which flows in through a channel made in the rod 8 which communicates with a channel in the body of the plate of the cooling device 4. The rod 8 is also driven by an electric motor via a gear (not shown). The mold is suspended at the holder 7 via a transition piece 9, to which serves as a gripper for holding the mold. 1 A seed is used to produce cast metal turks with a given crystallographic orientation. Here, shape 1 (FIG. 2) of the metal casting is equipped with an inoculation pocket 10, in which a seed 11 is accommodated. A metallic nut 12 is attached under the inoculation 11 in the inoculation pocket 10, to which a cooling unit 13 for cooling the inoculation It is attached, which is in contact with the lower inoculation area. The cooling unit 13 for the inoculation germ 11 serves to dissipate heat therefrom and to regulate its melting off. In this case, the cooling device 4 has a recess II in its central part, into which the vaccination cell 10 with your seed II and the cooling device I} for the seed! 1 are introduced. The depth of the recess 14 depends on the size of the seed II and the cooling unit U, which can completely immerse into the recess 14 so that the cooling device 4 can come into contact with the base plate of the mold 1 to carry out the crystallization process.
Die Kühleinheit 13 für den Impfkeim Il besteht aus einem metallischen, beispielsweise kupfernen Zylinder, der in einen Becher 15 eingesetzt ist, welcher sich längs der Mantellinien des Zylinders verschieben kann. Hierdurch kann die Länge der Kühleinheit 13 verändert und dabei die Größe des Abstandes zwischen der Grundplatte der Form 1 und der Kühleinrichtung 4 reguliert werden.The cooling unit 13 for the inoculum II consists of a metallic, for example copper, cylinder, which is inserted into a cup 15 which can move along the surface lines of the cylinder. As a result, the length of the cooling unit 13 can be changed and the size of the distance between the Base plate of the mold 1 and the cooling device 4 can be regulated.
Die Form I enthält zwei Hohlräume: den oberen Hauptraum /\, der der Metallgußstückgestalt entspricht, und den an den ersteren angrenzenden Hilfsraum Ii, welcher in Form eines sich nach unten verbreiternden abgestumpften Kegels ausgebildet ist, der an seiner unteren Grundfläche einen in Horizontalrichtung gestreckten keilförmigen Vorsprung besitzt.The shape I contains two cavities: the upper main space / \, which corresponds to the metal casting shape, and the auxiliary space Ii adjoining the former, which is designed in the form of a truncated cone that widens downwards and which has a wedge-shaped stretched horizontally on its lower base Has a head start.
Die Ausführung eines derartigen Vorsprungs erfolgt bei der Herstellung der Form I nach dem Ausschmelzverfahren. The execution of such a projection takes place during the production of the form I according to the melt-out process.
Hierbei wird in eine metallische Preßform, deren Innenraum der Gestalt und den Abmessungen des künftigen Erzeugnisses entspricht, eine leichtschmel/.ende Masse, beispielsweise ein Paraffin-Stearin-Geinisch oder Harnstoff eingegossen. Das erhaltene Modell wird in eine dicke Bindemasse eingetaucht, auf welche dann durch ein Sieb eine Schicht feingemahlenen körnigen Materials, beispielsweise Elektrokorund, geschüttet wird. Nach der Trocknung wird ein erneutes Eintauchen des Modells und Aufschütten des körnigen Materials vorgenommer., bis acht bis zehn Schichten aufgebracht sind.This is in a metallic mold, the interior of the shape and dimensions of the future product corresponds to a light melting / .ende Poured in mass, for example a paraffin-stearin mixture or urea. The model obtained will immersed in a thick binding mass, on which then through a sieve a layer of finely ground granules Material, such as electrical corundum, is poured. After drying, it is dipped again of the model and pouring in the granular material, up to eight to ten layers applied are.
Daraufhin wird das Modell ausgeschmolzen oder aufgelöst, während die Hülle geröstet wird. Die hergestellte Form I soll einen flachen Boden besitzen, dessen Dicke über seine ganze Fläche gleich sein soll. Dies ist notwendig, um eine konstante Wärmeleitfähigkeit des Bodens auf der ganzen Fläche sicherzustellen.The model is then melted out or dissolved while the shell is roasted. the Form I produced should have a flat base, the thickness of which should be the same over its entire surface. This is necessary to ensure constant thermal conductivity of the floor over the entire surface.
Der Impfkeim U stellt einen Rotationskörper, beispielsweise einen Zylinder oder einen Kegel dar, der aus einem Einkristall mit bekannter kristallographischer Orientierung ausgeschnitten ist. Auf diese Weise ist die kristallographische Orientierung des Impfkeims Il ebenfalls bekannt. Durch Drehen des Impfkeims 11 um dessen Achse wird seine kristallographische Ebene parallel oder unter einem vorgegebenen Winkel zur Ebene des Metallgußstücks eingestellt.The seed U represents a body of revolution, for example a cylinder or a cone, which is cut from a single crystal with known crystallographic orientation. That way is the crystallographic orientation of the seed II is also known. By turning the seed 11 over whose axis is parallel to or at a predetermined angle to its crystallographic plane Metal casting plane set.
Die Leistung der Kühleinrichtung 4 wird in Abhängigkeit von der Zeit gewählt, die für die Kühlung der Grundplatte der Form 1 und zur Unterkühlung der ihren Hilfsraum B füllenden Schmelze erforderlich ist. Ist die Kühleinrichtung 4 zu leistungsfähig, so kann sie eine Kühlung nicht nur der Grundplatte der Form I, sondern auch der an dieser anliegenden Abschnitte der Formseitenfläche hervorrufen, was unerwünscht ist. Bei geringer Leistung der Kühleinrichtung 4 wird derThe output of the cooling device 4 is selected as a function of the time required for cooling the base plate of the mold 1 and for subcooling the melt filling its auxiliary space B. If the cooling device 4 is too powerful, it can bring about a cooling not only of the base plate of the mold I, but also of the portions of the side face of the mold resting against it, which is undesirable. When the power of the cooling device 4 is low, the
I'm/ell der Unterkühlung der Schmelze im Hilfsraiim Ί der I orm I und die Keimung des Kristiills zu sehr in die Lunge gezogen, was sich auf die Homogenität des r.inkrisliills des Metallstücks hinsichtlich der kristalltgniphischen Orientierung zn Beginn von dessen r, Wachstum störend auswirken kann.I'm / ell of supercooling of the melt in the Hilfsraiim Ί I orm I and pulled the germination of the Kristiills too much into the lungs, causing the kristalltgniphischen orientation zn beginning of r with respect to the homogeneity of the r.inkrisliills of the metal piece of the Growth can have a disruptive effect.
Zur Herstellung von Hohlgulistücken, z.H. von Schaufeln eines Turhiiienmotors mit tür ihre Kühlung bestimmten Hohlraum, wird in die I orm 1 ein Kern 16 eingebracht, welcher der Gestalt des Hohlraums in innerhalb des Mctallgulislücks entspricht.For the production of hollow gulis, z.H. from Shovels of a turhiiien engine with a door for their cooling certain cavity, a core 16 is introduced into the I orm 1, which has the shape of the cavity in corresponds within the Mctallgulislücks.
Heim erfindungsgcmälJcn Verfahren zur Herstellung von einkrislallincn Mctallgußstücken wird die Schiel t der in die Form 1 eingegossenen Schmelze in der Spitze des keillörmigcn Vorsprung* des 1 lilfsraumcs der Form r> am dünnsten sein. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit der Schmelze über dem zentralen Teil des Hilfsraumcs bedeutend höher als die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs der Form 1 über der dünnen Schmelzcschicht in der Spitze des keilförmigen Vorsprungs. _>oHome methods of the invention for the production of single-crystal metal castings are Schiel t of the melt poured into the mold 1 in the tip of the wedge-shaped projection of the auxiliary space of the mold be the thinnest. In addition, the thermal conductivity of the melt is over the central part of the auxiliary space significantly higher than the thermal conductivity of the material of form 1 over the thin melt layer in the tip of the wedge-shaped protrusion. _> o
Hierdurch wird unter dem F.infliiß der Kühleinrichtung 4 eine schroffe Unterkühlung im keilförmigen Voi.sprung erzeugt, die längs der Kontur der Grundplatte abnimmt, weshalb ein radialer Temperaturgradient in Richtung zu deren Spitze zn verzeichnen ist. Alle oben 2~> aufgezählten Ursachen begünstigen die Keimung des Kristalls in der Spitze des keilförmigen Vorsprungs der Form 1 und dessen rasche Ausbreitung längs des Umfangs der Grundplatte, was die Entstehung von parasitären Kristallen in diesem Bereich ausschließt. j»As a result, the cooling device is under the influence of the temperature 4 creates a sharp undercooling in the wedge-shaped volute along the contour of the base plate decreases, which is why a radial temperature gradient in Direction to the tip of which zn is recorded. All of the causes listed above 2 ~> favor the germination of the Crystal in the tip of the wedge-shaped protrusion of shape 1 and its rapid expansion along the Circumference of the base plate, which prevents the formation of parasitic crystals in this area. j »
Die Vorrichtung iirbcitet folgendermaßen:The device operates as follows:
Die in dem Vakuumofen 5 befindliche Form 1 wird mit Hilfe des Heizelementes 2 auf eine Temperatur, die über dem KrislaMisaiionsbcginn der Schmelze lieg:, erwärmt. i>The mold 1 located in the vacuum furnace 5 is heated to a temperature with the aid of the heating element 2 above the start of the mission of the melt :, warmed up. i>
Hiernach wird das in einem gesonderten Ofen geschmolzene Metall in die Form 1 eingegossen. Di.: Temperatur der Schmelze wird unmittelbar davor vermittels eines Tauch-Thermoelcmcnts kontrollier. Die Temperatur der Schmelze im Moment des Ati Kingießens in die Form muß um 100-200°C höher ah die Temperatur des Krisiallisalionsbeginns, jedoch etwas niedriger als die Temperatur der Form 1 sein, so daß sie nach dem Eingießen dicht an der Grundfläche um 30 —40"C gegenüber der Temperatur der Wändi der Form 1 in derselben Höhe niedriger liegt. Zu sehr überhitztes Metall erfordert andere Kühlbedingungen, was zur Entstehung von parasitären Kristallen an der Grundplatte der Form führen kann.The metal, which has been melted in a separate furnace, is then poured into the mold 1. Di .: The temperature of the melt is controlled immediately beforehand by means of an immersion thermocouple. The temperature of the melt at the moment of Ati Kingießens in the form must be 100-200 ° C higher the temperature of the Krisiallisalionsbeginns ah, however, be somewhat lower than the temperature of the mold 1 so that it tightly after pouring on the bottom surface 30 - 40 "C compared to the temperature of the walls of the mold 1 is lower at the same level. Metal that is too overheated requires different cooling conditions, which can lead to the formation of parasitic crystals on the base plate of the mold.
Die Kühleinrichtung 4 befindet sich bei der 5(1 Erwärmung der Form 1 in einem solchen Abstand von tier Grundplatte, daß ihr kühlender Einfluß auf die Form praktisch ausgeschlossen ist.The cooling device 4 is located at 5 (1 The mold 1 is heated at such a distance from the base plate that it has a cooling effect on the mold is practically impossible.
Nach dem Eingießen des Metalls in die Form 1 wird eine Hallczeil eingehalten, die zur Einstellung einer Übereinstimmung der Temperatur von Schmelze und Form notwendig ist.After the metal has been poured into the mold 1, a Hallczeil is maintained, which is used to set a It is necessary to match the temperature of the melt and the mold.
Am Ende der Haltezeit muß die Temperatur der Schmelze unmittelbar an der Grundplatte der Form 1 um 30-40°C höher als die Temperatur des Kristallisa- M) tionsbeginns sein.At the end of the holding time, the temperature of the melt directly on the base plate of mold 1 must be 30-40 ° C. higher than the temperature at the start of crystallization.
Um die Keimung des Kristalls hervorzurufen, wird an die Grundplatte der Form 1 die an der beweglichen Stange 8 befestigte Kühleinrichtung 4 mit einer Geschwindigkeit herangeführt, die deren Kontakt mit h5 der Form 1 zu einem Zeitpunkt gewährleistet, in welchem die Temperatur der Schmelze an ihrer Grundfläche um 30-400C niedriger als die Temperatur des Kiistallisationsbeginns wird. Dieser Prozeß dauert in dem gegebenen Beispiel 10-12 min.In order to cause the crystal to germinate, the cooling device 4 attached to the movable rod 8 is brought to the base plate of the mold 1 at a speed which ensures its contact with h5 of the mold 1 at a point in time at which the temperature of the melt at its base by 30-40 0 C lower than the temperature of the Kiistallisationsbeginns is. In the example given, this process takes 10-12 minutes.
Im Augenblick des Konlakts der Kühleinrichtung 4 mit der Grundplatte der Form 1 ist die Schmelze im keilförmigen Vorsprung des Hillsraume.s //und etwas darüber bereits erstarrt. Somit ist wählend tier Zeil der allmählichen Annäherung der Kühleinrichtung 4 an die Grundplatte der Foim 1 in dei Spitze ihics keilfömiigen Vorsprungs die Unterkühlung der Schmelze und die Bildung eines einzigen Krislallkeiincs eingetreten, tier sich dann am Umfang tier Giundplattc der Form 1 ausgebreitet hat.At the moment of the contact of the cooling device 4 with the base plate of the mold 1, the melt is in the wedge-shaped protrusion of the hills area // and a little above it already solidified. Thus choosing tier is the line of choice gradual approach of the cooling device 4 to the base plate of the foil 1 in the tip ihics wedge-shaped The supercooling of the melt and the formation of a single crystal nucleus occurred then on the circumference of the base plate of the form 1 has spread.
Nach dem Zustandekommen des Kontakts zwischen Kühleinrichtung 4 und Form 1 wird die letztere von dem Halter 7 gelöst und tlie Form 1 wird aui der Kühleinrichtung 4 mit I lilfe der Stange 8 allmählich aus der Zone des Heizelementes 2 nach unten herausgeführt. Die Geschwindigkeit der Kühleinrichtung 4 mit der auf ihr stehenden I-Orm Ii !längt von der Gestalt des Mctallgußstückcsab.After the establishment of contact between the cooling device 4 and the mold 1, the latter is of the The holder 7 is released and the mold 1 is gradually removed from the cooling device 4 with the aid of the rod 8 the zone of the heating element 2 led out downwards. The speed of the cooling device 4 with the I-Orm II! standing on it is the same as the shape of the Metal casting csab.
Um zu vermeiden, dal! sii-h auf der Oberfläche des Metallgiißstückcs parasitäre Kristalle bilden, soll die Temperatur der Wände tier Form 1 über tier Wachstumsfront oberhalb der Tcinpeiatur des Erslairungsbeginns des Metalls gehalten werden, was durch die Beibehaltung eines Tcmpcraturgradienten, von beispielsweise etwa H) grd/cm, sichergestellt wird.To avoid dal! sii-h on the surface of the Metallgiißstückcs form parasitic crystals, the Temperature of the walls of form 1 above the growth front above the temperature of the beginning of the explanation of the metal, which is achieved by maintaining a temperature gradient of for example about H) degrees / cm, is ensured.
Das Kristall wachstum wird derartig kontrolliert, daß die Trennungsfläche SchnicUc-Kristall, d. h. die Wachstumsfront, auf ein und demselben Niveau gegenüber dem Heizelement 2 der Form 1 beibehalten wird. Für diese Kontrolle sorgt ein die Lage der Wachstumsfront überwachendes Thermoelement, dessen Anzeigen bis zur Beendigung der Absenkung tier Form 1 in die kalte Zone konstant sein sollen.The crystal growth is controlled such that the SchnicUc crystal interface, d. H. the growth front, is maintained at the same level with respect to the heating element 2 of the mold 1. For this control is provided by a thermocouple monitoring the position of the growth front, its displays up to to end the lowering of Tier Form 1 into the cold Zone should be constant.
Bei der Herstellung von Hohlgußstücken ruft der in die Form eingebrachte Kern 16 keine Änderungen in der Bildung und im Wachstum des Kristallkeims hervor. Hierbei umfließt der Kristall, indem er sich über die !■"lache der Grundplatte der Form 1 ausbreitenden Kern 16 allseilig. Nach der Herstellung des Metallgußstücks wird der Kern nach dein hydrodynamischen oder irgendeinem anderen Verfahren entfernt.When producing hollow castings, the core 16 introduced into the mold does not cause any changes the formation and growth of the crystal nucleus. The crystal flows around it by moving over the ! ■ "laugh the base plate of the shape 1 expanding core 16 all ropes. After the metal casting has been made, the core is hydrodynamic or any other procedure removed.
Wird zur Herstellung des Mctallgußstücks ein Impfkeim 11 benutzt, so wird er in die Impftasche 10 eingesetzt. Die Impftaschc 10 und die Kühlcinhcit 13 für den Impfkeim 11 treten während der Verschiebung der Kühleinrichtung 4 in die Aussparung 14 im zentralen Teil der Kühleinrichtung 4 ein. Hierbei hebt sich der bewegliche Becher 15 nach eben bis zum Zusammenfallen mit dem Hauptzylinder der Kühlcinhcit 13, wobei sich deren Länge verringert. Im Augenblick des Kontakts der Kühleinrichtung 4 mit der Grundplatte der Form 1 sind die Impftaschc 10 und die Kühleinheit 13 vollständig in die Aussparung 14 eingetaucht und behindern diesen Kontakt nicht.Used to manufacture the metal casting When inoculation germ 11 is used, it is inserted into the inoculation bag 10. The vaccination bag 10 and the cooling case 13 for the inoculum 11 enter the recess 14 in the central one during the displacement of the cooling device 4 Part of the cooling device 4. Here, the movable cup 15 rises to the point where it collapses with the main cylinder of the cooling unit 13, the length of which is reduced. At the moment of The inoculation bag 10 and the cooling unit are in contact between the cooling device 4 and the base plate of the mold 1 13 completely immersed in the recess 14 and do not hinder this contact.
Der weitere Vorgang der Herstellung des Metallgußstücks verläuft ebenso wie im vorhergehenden Fall.The further process of producing the metal casting is the same as in the previous case.
Zur rationelleren Ausnutzung des Volumens des Vakuumofens 5 werden in diesem in der Regel gleichzeitig mindestens zwei Metallgußstücke hergestellt. Hierbei werden die Hilfsräume von zumindest zwei Formen 1 mit den Spitzen der keilförmigen Voisprüngc verbunden, indem sie einen Block bilden. Die Verbindungsstelle befindet sich über dem zentralen, also dem kältesten Teil der Kühleinrichtung 4. Die Formen 1 sind symmetrisch zueinander aufgestellt. Auf dieselbe Weise können vier, sechs und noch mehrFor more efficient use of the volume of the vacuum furnace 5 are in this usually at least two metal castings produced at the same time. Here are the auxiliary rooms of at least two molds 1 connected to the tips of the wedge-shaped projections by forming a block. The connection point is located above the central, so the coldest part of the cooling device 4. Die Forms 1 are set up symmetrically to each other. Four, six, and even more can do the same
Formen verbunden werden. In diesem Fall erfolgt die Keimung des Kristalls an der Verbindungsstelle der keilförmigen Vorsprünge und im weiteren verläuft der Prozeß genauso wie bei der Herstellung nur eines MetallguDstückes. ■>Forms are connected. In this case the Germination of the crystal at the junction of the wedge-shaped projections and in the further course of the The same process as for the production of just one piece of metal. ■>
Auf ähnliche Weise können Impfkeimc hergestellt werden, die eine bekannte kristallographischc Orientierung, vorgegeben durch einen künstlichen Impfkeim (Fig. 21),besitzen.In a similar manner, seeds can be prepared which have a known crystallographic orientation, predetermined by an artificial inoculum (Fig. 21).
In Fig. 15 sind einkristalle zylindrische Metallguß- hi stücke gezeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Block aus zwei Formen hergestellt sind.In Fig. 15, single crystal cylindrical metal castings are shown Pieces shown made by the method according to the invention in a block of two molds are.
In den Fig. 19 und 20 werden die Ergebnisse der nach dem Laue-Verfahren vorgenommenen Bestimmung der η kristallographischen Orientierung der Metallgußstücke, welche jeweils in einem Block aus zwei bzw. aus vier Formen 1 hergestellt sind, angeführt. Wie aus den beiden stereographischen Dreiecken ersichtlich ist, überschreiten die Abweichungen in der Orientierung nicht zwei Grad in den beiden Fällen.19 and 20 the results of the after Determination of the η crystallographic orientation of the metal castings carried out using the Laue method, which are each made in a block of two or four molds 1, listed. As from the two stereographic triangles can be seen, exceed the deviations in orientation not two degrees in either case.
In den Fig. 10 und 11 sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Turbinenschaufeln abgebildet. Fig. 17 zeigt zwei zylindrische Metallgußstücke C und D mit gemeinsamer Grundfläche, welche die durch 2r> den Impfkeim 11 vorgegebene kristallographische Orientierung haben.Turbine blades produced according to the method according to the invention are shown in FIGS. 10 and 11. 17 shows two cylindrical metal castings C and D with a common base area, which have the crystallographic orientation predetermined by 2 r > the seed 11.
In Fig. 18 sind die Ergebnisse bei der Bestimmung der Orientierung der beiden Metallgußstücke im Vergleich mit der kristallographischen Orientierung des Impfkeims II angeführt. Die Ergebnisse liegen im Bereich von zwei Grad.In Fig. 18, the results of determining the orientation of the two metal castings in Comparison with the crystallographic orientation of seed II is given. The results are in Range of two degrees.
In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der Bestimmung von Dauerfestigkeit und Kriechdehnung angeführt, welche bei der Prüfung von Probekörpern mit 38 mm Länge und 3 mm Durchmesser aus einer hochhilzefesten Legierung auf Nickelbasis bei einer Temperatur von 980"C und einer Belastung von 21 kp/mm2 erhalten wurden. I'inkristalline Probekörper K, L, M, N und polykristalline Probekörper O, P, Q, R wurden nach der Wärmebehandlung geprüft, die eine Haltezeit von vier Stunden bei der Temperatur 1220cC, eine Abkühlung an der Luft und eine nachfolgende Alterung während 32 Stunden bei 870°C umfaßte.The table below shows the results of the determination of fatigue strength and creep strain which were obtained when testing specimens 38 mm in length and 3 mm in diameter made of a highly resistant nickel-based alloy at a temperature of 980 ° C. and a load of 21 kp / mm 2. Single crystalline specimens K, L, M, N and polycrystalline specimens O, P, Q, R were tested after the heat treatment, which required a holding time of four hours at the temperature of 1220 ° C., cooling in air and involved subsequent aging for 32 hours at 870 ° C.
Bez. des Dauer in
Probe- Std. vor
körpers der Zerstörung Description of the duration in
Trial hours before
body of destruction
Dehnung Einschnürung
%Elongation constriction
%
PrüfungsartType of examination
K
L
M
N
O
PK
L.
M.
N
O
P.
283283
141,5141.5
282,5282.5
321,0321.0
16,016.0
30,530.5
29,029.0
11,511.5
20,020.0
20,020.0
24,824.8
25,525.5
1,01.0
3,53.5
2,02.0
3,53.5
30,030.0
30,030.0
31,431.4
31,531.5
2,02.0
6,56.5
6,56.5
6,56.5
DauerfestigkeitFatigue strength
DauerfestigkeitFatigue strength
KriechenTo crawl
KriechenTo crawl
DauerfestigkeitFatigue strength
Wie aus der Tabelle hervorgeht, übertreffen die Prüfungsergebnisse der einkristallinen Probekörper K, L, M, N beträchtlich die Prüfungsergebnisse für die polykristallinen Probekörper O, P, Q, R sowohl nach der Lebenszeit vor der Zerstörung, als auch nach der Dehnung und Einschnürung, was für die einkristallinen Turbinenschaufeln eine Verlängerung der Betriebszeit: des Turbinenmotors um das 4- bis 6fache bedeutet.As can be seen from the table, the test results of the monocrystalline test specimens K, L, M, N considerably exceed the test results for the polycrystalline test specimens O, P, Q, R, both after the lifetime before the destruction, as well as after the expansion and constriction, what for the monocrystalline turbine blades an extension of the operating time: of the turbine engine by 4 to 6 times.
Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19732307463 DE2307463C3 (en) | 1973-02-15 | 1973-02-15 | Method and apparatus for producing single-crystal metal castings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19732307463 DE2307463C3 (en) | 1973-02-15 | 1973-02-15 | Method and apparatus for producing single-crystal metal castings |
Publications (3)
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|---|---|
| DE2307463A1 DE2307463A1 (en) | 1974-09-05 |
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| DE2307463C3 DE2307463C3 (en) | 1979-03-01 |
Family
ID=5872006
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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1973
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Also Published As
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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